JPH05144758A

JPH05144758A - 熱処理装置

Info

Publication number: JPH05144758A
Application number: JP32984991A
Authority: JP
Inventors: Wataru Okase; 亘大加瀬
Original assignee: Tokyo Electron Sagami Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Sagami Ltd
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】面状の被処理体の面内温度の均一性を高める
ことができる熱処理装置を提供することにある。【構成】処理容器内に配置された面状の被処理体の処
理面に対向するよう面状発熱源を配置してなる熱処理装
置において、前記処理容器内における前記面状の被処理
体の出入口側空間を絞り込んだことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体ウエハ、
ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の面状の被処理体を熱処
理するための熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造において
は、半導体ウエハの酸化処理、拡散処理、ＣＶＤ処理等
が行われる。特に、最近においては、０．４μｍから
０．２μｍへと半導体デバイスのデザインルールの微細
化が進み、また、半導体ウエハについても８インチから
１２インチへと大径化が進み、このような大面積の極薄
膜形成技術に対応すべく急速熱処理装置の開発が緊急の
課題となっている。

【０００３】具体的に説明すると、半導体ウエハのプロ
セス処理では、サーマルバジェット（熱履歴）を小さく
することが必須の条件であり、例えば５０〜１００Åの
ドーピング処理、ゲート酸化膜やキャパシター絶縁膜の
極薄膜形成においては、急速熱処理すなわち短時間で熱
処理を行うことが不可欠である。また、例えばＰＮ接合
を０．１μｍ以下と浅くして、低抵抗化を図り、任意形
状表面への接合形成を可能にするためには、接合時の膜
劣化や結晶欠陥の発生を防止する必要があるが、ＰＮ接
合の活性領域が狭いために急速熱処理を行うことが必要
である。

【０００４】また、例えばＬＯＣＯＳ酸化膜の形成にお
いては、隣接するＬＯＣＯＳ酸化膜の圧縮応力が熱サイ
クルによる相乗効果で拡大し、表面電位の変動、リーク
電流、耐圧等の信頼性の低減が生じやすいが、これを防
止するためには急速熱処理により熱サイクルを低減する
ことが必要である。また、例えば高誘電体材料を使用し
てキャパシター絶縁膜を形成する場合には、メタルオキ
サイド（Ｔａ₂Ｏ₅等）、ポリイミド（パッシベーショ
ン膜）等の成膜を可能にするメタル成膜とドーピングが
できる複合プロセス処理が可能なシステムが必要とされ
るに至った。

【０００５】そして、半導体ウエハの径が８インチから
１２インチへと大径化しつつある現状においては、半導
体ウエハの中央部と周辺部との温度差を小さくして均一
に急速熱処理ができ、半導体ウエハに生じやすいスリッ
プ、歪、ソリの低減化を図り、半導体デバイスの製作上
不都合が生じないようにする必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の縦型の
バッチ処理型熱処理装置においては、高純度石英製のウ
エハボートに積層収納された半導体ウエハを取り囲むよ
うに筒状の発熱源を配置して、半導体ウエハの周辺部か
ら中央部に向かって加熱するようにしているため、半導
体ウエハを急速に加熱しようとすると、半導体ウエハの
中央部と周辺部との間に大きな温度勾配が生じて、均一
な熱処理ができない問題がある。このような事情から、
本発明者は、処理容器内に配置された半導体ウエハの処
理面に対向するよう面状発熱源を配置することにより、
半導体ウエハの面内温度の均一化を図る技術について鋭
意研究を重ねてきたところ、このような面状発熱源だけ
では、処理容器内における処理ガスの滞留によって、半
導体ウエハの下降時または上昇時において、半導体ウエ
ハの面内温度の均一性が十分とならない問題が生じた。
そこで、本発明の目的は、面状の被処理体の面内温度の
均一性を高めることができる熱処理装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明の熱処理装置は、処理容器内に配置された面
状の被処理体の処理面に対向するよう面状発熱源を配置
してなる熱処理装置において、前記処理容器内における
前記面状の被処理体の出入口側空間を絞り込んだことを
特徴とする。また、絞り込んだ出入口側空間の外周に補
助ヒーターを設けたことを特徴とする。さらに、補助ヒ
ーターを強制的に冷却する冷却手段を設けたことを特徴
とする。

【０００８】

【作用】処理容器内における面状の被処理体の出入口側
空間を絞り込んでいるので、面状の被処理体の上昇また
は下降時において、出入口側空間での処理ガスの滞留が
生じにくく、面状の被処理体の面内温度の均一性が高く
なる。また、絞り込んだ出入口側空間の外周に補助ヒー
ターを付加することにより、当該出入口側空間の温度コ
ントロールができるので、面状の被処理体の周辺部の放
熱による温度低下を防止して、面内温度の均一性をさら
に高めることができる。また、面状の被処理体の移動距
離と温度変化とをリニアな関係に設定することもできる
ため、面状の被処理体の移動速度の制御系の構成が簡単
となる。さらに、補助ヒーターを強制的に冷却する冷却
手段を付加することにより、補助ヒーターによる加熱を
急激に停止することができ、急速冷却が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。なお、以
下の実施例は面状の被処理体として半導体ウエハを使用
した例であるが、本発明においては、半導体ウエハに限
定されることはなく、例えばＬＣＤ等のようにその他の
面状の被処理体を用いることもできる。

【００１０】〔実施例１〕図１は本実施例に係る熱処理
装置の概略図である。１は面状の被処理体としての半導
体ウエハ、２は面状発熱源、３はウエハ保持具、４は断
熱保温材、５は内筒、６は輻射防止板、７は処理容器、
８はガス導入管、９はガス排出管である。

【００１１】７１は、材質が例えば高純度石英（ＳｉＯ
₂）よりなる処理容器７内における面状の被処理体の出
入口側空間であり、この出入口側空間７１は絞り込まれ
ている。この例においては、処理容器７自体を絞り込む
ことにより出入口側空間７１を絞り込んでいる。このよ
うに出入口側空間７１を絞り込むことにより、当該出入
口側空間７１における処理ガスの滞留が生じにくくな
り、半導体ウエハ１の上昇または下降時における面内温
度の均一性が向上する。また、処理容器７自体を絞り込
むことにより、処理容器７の出入口側部分の熱容量を小
さくすることができ、少ない熱エネルギーで急速加熱を
達成することができ、また、後述する冷却手段２２，２
７による急速冷却も容易に達成することができる。さら
に、処理容器７自体を絞り込むことにより、外部雰囲気
との気密シールも構造的に容易となる。

【００１２】絞り込んだ出入口側空間７１の外周には補
助ヒーター２１が設けられている。この実施例では、補
助ヒーター２１は、上段、中段、下段の３つのゾーン２
１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに分割されており、それぞれ独自
に温度コントロールができるようになっている。すなわ
ち、各ゾーンの補助ヒーターにはそれぞれ例えば熱電対
等の温度センサー（図示省略）が設けられており、これ
らの温度センサーよりの検出信号に基づいて各補助ヒー
ターの発熱量がコントロールされる。

【００１３】補助ヒーター２１の具体的構成は、特に限
定されるものではないが、処理容器７の絞り込んだ部分
の外周面に透明な抵抗発熱膜を直接設ける構成等を採用
することができる。抵抗発熱膜を処理容器７の外周に直
接設ける構成によれば、構成が簡単であるうえ、装置全
体を軽量なものとすることができ、取扱い上便利とな
る。また、透明であるため、処理容器７内の状態をテレ
ビカメラ等によりモニタすることも可能となる。抵抗発
熱膜の材料としては、例えば酸化すず（ＳｎＯ₂）等を
好ましく用いることができるが、これに限定されるもの
ではない。

【００１４】さらに、図１に示すように、補助ヒーター
２１が配置されたその外側に当該補助ヒーター２１を強
制的に冷却する冷却手段２２を設けることが好ましい。
補助ヒーター２１のみでは、電源を切ったとしても自然
放冷には時間を要するため迅速な温度コントロールが困
難であるが、冷却手段２２を設けて補助ヒーター２１を
強制的に冷却することにより、急速冷却が可能となり、
また、処理容器７内を半導体ウエハ１が上昇または下降
する際の半導体ウエハ１の移動距離と温度変化とをきわ
めて高い精度でリニアなものとすることができ、それだ
け半導体ウエハ１の面内温度の均一性が高くなる。

【００１５】冷却手段２２の具体的構成も特に限定され
るものではないが、例えば冷却ガス例えば窒素ガス（Ｎ
₂）を用いてこれを補助ヒーター２１の外周に流す手段
を採用することができる。２４は冷却ガス供給管、２５
は冷却ガス排気管である。２６は冷却ガスの供給路を構
成するための筒体であり、冷却ガスはこの筒体２６の下
部の冷却ガス供給管２４から導入されて上部の冷却ガス
排気管２５から排気されるようになっている。冷却ガス
供給管２４および冷却ガス排気管２５の配設位置は特に
限定されず、かなり自由に設計することができる。

【００１６】面状発熱源２は、半導体ウエハ１の処理面
１１に対向するよう断熱保温材４の上部内壁に固定配置
されている。この面状発熱源２は、例えば二ケイ化モリ
ブデン（ＭｏＳｉ₂）、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）と
アルミニウム（Ａｌ）の合金線であるカンタル（商品
名）線等の抵抗発熱体を面状に配置することにより構成
することができる。例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳ
ｉ₂）は、単線として使用することができ、カンタル線
はコイルとして使用することができる。特に、二ケイ化
モリブデン（ＭｏＳｉ₂）は約１８００℃の高温にも十
分に耐えることができるので、酸化・拡散処理のための
材料としては好適である。

【００１７】この面状発熱源２の発熱面は、半導体ウエ
ハ１の処理面１１と同様の形態、すなわち円形状である
ことが好ましく、また、その外径が半導体ウエハ１の外
径の２倍以上であることが好ましい。このような条件を
満たす面状発熱源２によれば、半導体ウエハ１の中央部
と周辺部との間の温度差を十分に小さくすることがで
き、半導体ウエハ１の処理面１１の全面をさらに均一な
温度で熱処理することができる。また、面状発熱源２の
発熱面は、半導体ウエハ１と平行に配置されることが好
ましい。また、面状発熱源２の発熱面は、全体が一様な
平面であってもよいし、周辺部が半導体ウエハ１に接近
する方向に湾曲していてもよい。

【００１８】面状発熱源２の温度は、半導体ウエハ１の
最高使用温度よりも１００〜３００℃高いことが好まし
い。面状発熱源２は加熱制御部（図示省略）により駆動
されるが、その温度コントロールは、面状発熱源２の適
宜の位置に熱電対等の温度センサー（図示省略）を配置
して、これよりの検出信号に基づいて行うことができ
る。

【００１９】また、図１に示すように、面状発熱源２と
半導体ウエハ１との間に面状の均熱部材２３を配置する
ようにしてもよい。この均熱部材２３は、面状発熱源２
に発熱ムラが存在する場合にこの発熱ムラを解消して半
導体ウエハ１に向かう放射熱を十分に垂直方向に制御す
るものである。また、均熱部材２３を例えば高純度炭化
ケイ素（ＳｉＣ）等のように汚染の少ない材料により構
成し、さらにこの均熱部材２３により面状発熱源２を処
理空間から完全に隔離することにより、面状発熱源２が
汚染の原因となる重金属を含む材料により構成されてい
る場合にも、当該重金属による汚染を有効に防止するこ
とができる。

【００２０】この均熱部材２３は半導体ウエハ１の処理
面１１に対向するよう配置され、その外径は面状発熱源
２の場合と同様に半導体ウエハ１の外径の２倍以上であ
ることが好ましい。また、この均熱部材２３は、その中
央部の肉厚が周辺部の肉厚より厚いことが好ましい。こ
のような肉厚とすることにより、半導体ウエハ１の周辺
部の熱放散を少なくして中央部と周辺部との間の温度の
均一性をさらに高めることができる。また、この均熱部
材２３は、その周辺部が半導体ウエハ１に接近する方向
に湾曲する形態としてもよい。このような湾曲した周辺
部を有することにより、半導体ウエハ１の周辺部の熱放
散を少なくして中央部と周辺部との温度差を小さくする
ことができる。

【００２１】ウエハ保持具３の周縁部に一体的に形成さ
れている例えば３〜４個の保持突起３１が半導体ウエハ
１の処理面１１とは反対の裏面１２に当接し、これによ
り半導体ウエハ１をウエハ保持具３上に保持している。
３２はストッパーである。このウエハ保持具３は、例え
ば高純度炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のように耐熱性が優
れ、かつ、汚染の少ない材料により構成することが好ま
しい。特に、高純度炭化ケイ素（ＳｉＣ）は高純度石英
（ＳｉＯ₂）よりも耐熱性が優れており、約１２００℃
の高温にも十分に耐えることができるので、酸化処理、
拡散処理のための材料として好適なものである。

【００２２】ウエハ保持具３は、ウエハの移動機構（図
示省略）により、面状発熱源２に対して急速に接近移動
させられ、熱処理後、急速に後退移動させられる。ウエ
ハの移動機構の構成は、特に限定されないが、例えばモ
ータと、駆動軸と、駆動アームとにより構成することが
できる。具体的一例においては、モータは駆動軸に連結
され、この駆動軸にはネジが設けられており、このネジ
を介して駆動アームの一端と螺合されている。モータが
駆動軸を回転させると、この駆動軸に設けられたネジの
作用により駆動アームが上昇または下降移動し、この駆
動アームの移動に伴ってウエハ保持具３が上昇または下
降移動する。従って、モータの回転を制御回路により制
御することにより、ウエハ保持具３の上昇速度または下
降速度を適宜調整することができる。ウエハ保持具３の
移動距離は例えば３００〜６００ｍｍ程度であり、移動
速度は５０〜２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の急速とするのが
好ましい。

【００２３】半導体ウエハ１の熱処理中は、回転機構
（図示省略）により半導体ウエハ１がその中心を軸とし
て回転移動されることが好ましい。この回転機構は、例
えばモータにより構成することができる。

【００２４】断熱保温材４は、例えばアルミナセラミッ
クスからなる。半導体ウエハ１の移動方向に沿って適正
な温度勾配をもたせるために、断熱保温材４は下部に向
かうに従って肉厚を薄くすることが好ましい。すなわ
ち、下部に至るほど保温効果を少なくすれば、処理容器
７内の温度均一性を高めることができる。断熱保温材４
の内径は、半導体ウエハ１の温度を考慮して定めること
が好ましいが、例えば半導体ウエハ１が８インチの場合
には、その２倍程度の４００〜５００ｍｍφ程度が好ま
しい。

【００２５】処理容器７の下端部には、熱処理の終了後
に処理容器７の出入口側部分を急速に冷却するための冷
却手段２７を設けることが好ましい。冷却手段２７とし
ては、アンモニア、二硫化イオウ、水等の冷媒を用いる
ことができる。冷媒の潜熱を利用して例えば３００〜４
００℃の温度に冷却するのが好ましい。

【００２６】処理容器７は、例えば高純度石英（ＳｉＯ
₂）等により形成することができる。この処理容器７は
下端に開口を有する筒状の形態を有しており、ウエハ保
持具３および半導体ウエハ１を面状発熱源２および断熱
保温材４から隔離して半導体ウエハ１の雰囲気を外部か
ら分離するものである。

【００２７】ガス導入管８は、その一端が処理容器７の
下部から外部に突出し、その他端が処理容器７の内部に
おいて上方に伸長して半導体ウエハ１の斜め上方に位置
されている。このガス導入管８は、処理容器７に対して
例えばＯリング（図示省略）をネジにより締め付けるこ
とにより気密に固定されている。

【００２８】ガス排出管９は、処理容器７の絞り込み部
分において処理容器７の内外を貫通するように設けられ
ている。このガス排出管９は全部で３個所に設けられて
おり、個々にバルブ（図示省略）が設けられている。従
って、ガスの排出が円滑になされ、半導体ウエハ１の膜
質を向上させることができる。

【００２９】熱処理時においては、ガス導入管８から処
理容器７内にプロセスガスを導入し、面状発熱源２によ
る放射熱によって処理容器７内の温度を熱処理に必要な
所定温度にする。処理容器７内の温度は、面状発熱源２
からの距離が一定であれば、一定の温度となるので、半
導体ウエハ１の最高位置（静止位置）をあらかじめ設定
しておくことにより、熱処理に必要な所定温度（例えば
１２００℃）とすることができる。

【００３０】輻射防止板６は、例えば不透明な耐熱性の
高い材料からなり、半導体ウエハ１の温度が高くなるの
を有効に防止するものである。この輻射防止板６は、例
えば２分割されていて、水平方向に開閉可能になってい
る。

【００３１】〔実施例２〕図２は、本実施例に係る熱処
理装置を示す説明図であり、この例では、処理容器７自
体は絞り込まずに、処理容器７内に、補助ヒーター２
１、補助ヒーター２１の冷却手段２２、処理容器７の冷
却手段２７を配置することにより、実質的に出入口側空
間７１を絞り込んだ構成となっている。２８は区画部材
であり、例えば高純度石英（ＳｉＯ₂）等の耐熱性材料
により構成されている。この区画部材２８は、補助ヒー
ター２１、その冷却手段２２、処理容器７の冷却手段２
７を処理空間から気密に区画するものである。このよう
な構成によっても、半導体ウエハ１の上昇または下降時
において、出入口側空間７１での処理ガスの滞留が生じ
にくく、半導体ウエハ１の面内温度の均一性を高くする
ことができる。

【００３２】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明の熱処理装置は、常圧のプロセス、減圧プロ
セス、真空プロセスのいずれにも適用することができ
る。また、酸化処理、拡散処理、ＣＶＤ処理、アニール
等の各種の熱処理に適用することができる。また、面状
の被処理体としては、円型の半導体ウエハに限定され
ず、ＬＣＤ等角型のその他の面状の被処理体であっても
よい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱処理装
置によれば、面状の被処理体の面内温度の均一性を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【図２】本発明の実施例２に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【符号の説明】

１半導体ウエハ１１処理面１２裏面２面状発
熱源２１補助ヒーター２２補助ヒ
ーターの冷却手段２３均熱部材２４冷却ガ
ス供給管２５冷却ガス排気管２６筒体２７冷却手段２８区画部
材３ウエハ保持具３１保持突
起３２ストッパー４断熱保
温材５内筒６輻射防
止板７処理容器８ガス導
入管９ガス排出管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器内に配置された面状の被処理体
の処理面に対向するよう面状発熱源を配置してなる熱処
理装置において、前記処理容器内における前記面状の被処理体の出入口側
空間を絞り込んだことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】請求項１の熱処理装置において、絞り込
んだ出入口側空間の外周に補助ヒーターを設けたことを
特徴とする熱処理装置。
【請求項３】請求項２の熱処理装置において、補助ヒ
ーターを強制的に冷却する冷却手段を設けたことを特徴
とする。